CN206878170U - 一种柔性抗金属rfid标签天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性抗金属RFID标签天线。它包括由PCB板材、合成纸材料或高分子聚合材料制成的介质基板，设置在介质基板前表面的辐射贴片以及设置在介质基板后表面的金属地板，辐射贴片的面积小于介质基板的面积，金属地板的面积与介质基板的面积相当，辐射贴片上开设有矩形槽以及位于矩形槽外围的U型槽，辐射贴片的矩形槽处连接有标签芯片。其优点在于：结构简单，加工组装容易，具有厚度薄、可弯曲共形、抗金属、读取距离远等特点，柔性抗金属性能非常好，介质板材选用高分子聚合材料，标签成本低；该结构使标签天线的波瓣宽度较宽，标签天线的读取范围较大，便于标签的读取和识别，可以广泛应用在各个领域，可以进一步推广RFID标签天线的应用。

Description

一种柔性抗金属RFID标签天线

技术领域

本发明涉及一种标签天线，具体地说是一种柔性抗金属RFID标签天线，属于电子无线通信技术领域。

背景技术

射频识别技术RFID是一种自动识别技术，它通过利用射频信号进行数据和能量传输，从而完成非接触式的自动识别；RFID系统一般包含标签和读写器，通过标签来标识某个物体，读写器通过射频信号来读取标签上存储的信息进而完成对物品的识别。相对与目前广泛应用的二维码技术，RFID具有读取速率快、读取距离远、信息容量大、安全性能高、支持快速读写、无需人工可视以和无需人工值守等优点。通过互联网的信息共享等形式，RFID可以实现全球范围内物品信息的共享与跟踪，因此，可以说RFID是物联网的基石。

RFID技术在生产运输、商品管理等众多领域，在工业、商业等各个方面有着广泛的应用和巨大的发展前景。在目前，RFID最主要的应用具体包括访问控制、产品跟踪、物流管理、智能货架、防伪安全、医疗器械管理等方面。目前RFID计算虽然发展迅速，但是还不够成熟。目前主要还存在以下两方面问题：一是标签成本问题，虽然普通标签成本已经比较低，但是对于特殊应用，如应用在金属以及特定形式物品上的标签，其成本较高，不能实现所有物品的单一标识；另一方面是在RFID 应用中，标签性能还不能满足很多在特定尺寸、特定形式下的应用需求，这也阻碍了RFID的推广应用。

在众多RFID的应用中，用在金属或者导电性能较好的材料或物体表面的标签具有很大的需求。由于金属对标签天线的影响，普通标签放置在金属表面时，标签的读取距离会大大减小甚至不能被读取，目前对抗金属标签天线有较多的研究和设计，但大多都体积大、成本高，而且一般是采用厚度较厚的硬质材料制成，但是在实际应用中，很多时候需要将标签粘贴在弯曲物体表面，但是目前大多柔性标签均为非抗金属标签，这些标签却不能用在弯曲金属物体如钢瓶等表面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、成本低且读取和识别精度高的柔性抗金属RFID标签天线。

为了解决上述技术问题，本发明的柔性抗金属RFID标签天线，包括由PCB板材、合成纸材料或高分子聚合材料制成的介质基板，设置在介质基板前表面的辐射贴片以及设置在介质基板后表面的金属地板，辐射贴片的面积小于介质基板的面积，金属地板的面积与介质基板的面积相当，辐射贴片上开设有矩形槽以及位于矩形槽外围的U型槽，辐射贴片的矩形槽处连接有标签芯片。

所述介质基板的介电常数为2.2，损耗正切0.001，所述介质基板的尺寸为98*28*0.5mm³。

所述辐射贴片的尺寸为93*23mm²。

本发明的优点在于：该柔性抗金属RFID标签天线由介质基板、辐射贴片以及金属地板三层结构构成，辐射贴片上上设置的矩形槽和U型槽，可以有效地减小标签天线的尺寸，辐射贴片尺寸比标签尺寸稍小；其背面的金属地板，既可以有效减少金属使用环境标签天线性能的影响又可以提高标签天线的增益，从而增加标签天线的读取距离，标签天线在金属物体表面性能优于非金属表面；其结构简单，加工组装容易，具有厚度薄、可弯曲共形、抗金属、读取距离远等特点，柔性抗金属性能非常好，介质板材可选用高分子聚合材料，标签成本低；另外该结构设计使得标签天线的波瓣宽度较宽，标签天线的读取范围较大，便于标签的读取和识别，可以广泛应用在各个领域，可以进一步推广RFID标签天线的应用。

附图说明

图1为本发明柔性抗金属RFID标签天线的主视结构示意图；

图2为本发明柔性抗金属RFID标签天线的俯视结构示意图；

图3为本发明柔性抗金属RFID标签天线的弯曲结构状态示意图；

图4为本发明柔性抗金属RFID标签天线的端口回波损耗S11

图5为本发明中920MHz标签天线方向图

图6为本发明中920MHz标签天线在金属表面方向图

图7为本发明中920MHz标签天线共形到金属表面方向图

图8为本发明柔性抗金属RFID标签天线中标签读取距离随频率变化图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式及优点通过附图及实例进行详细说明。应理解的是本发明能够根据该实例进行各种变化，其变化皆不脱离本发明的范围。进一步地，本实施方案说明及附图说明为介绍说明本发明的实施方案，而不是限制本发明，下面结合附图，对本发明的标签天线结构及结果进行详细说明。

本发明的柔性抗金属RFID标签天线，包括由PCB板材、合成纸材料或高分子聚合材料制成的介质基板1，设置在介质基板1前表面的辐射贴片 2以及设置在介质基板后表面的金属地板3，辐射贴片2的面积小于介质基板的面积，金属地板3的面积与介质基板的面积相当，辐射贴片2上开设有矩形槽4以及位于矩形槽4外围的U型槽5，该矩形槽和U型槽结构设计可以使天线的表面电流形成曲流结构，从而可以减小标签天线的尺寸，同时，U型槽缝隙使得贴片产生耦合结构，形成较大的电感值，以完成标签天线的阻抗匹配；辐射贴片的矩形槽4处连接有标签芯片6，标签芯片焊接在矩型与槽辐射贴片边缘开口处，使得标签芯片两引脚形成差分电流，满足其工作要求。

另外，标签天线整体尺寸主要与介质材料介电常数相关，在本实例中，选用介质材料为F4B板材，介质基板1的介电常数为2.2，损耗正切0.001，介质基板1的尺寸为98*28*0.5mm³，该板材在0.5mm厚度时能够进行一定的弯曲，辐射贴片2的尺寸为93*23mm²。

其中，如图1-图2所示，在具体设计中，需要选择柔性板材，如超薄的PCB板材、合成纸材料或PET、PVC等高分子聚合材料均可作为标签天线的介质基板，柔性板材或超薄的PCB板材，使得标签天线能够弯曲并共形到物体表面，选用上述介质板材或高分子聚合材料，损耗小、价格较便宜并且可以共形到金属物体表面，实现柔性抗金属性能。

图3是本发明标签天线弯曲或共形时结构示意图，本发明的标签天线弯曲时按谐振频率长边进行圆弧弯曲，标签的宽边不受弯曲变化影响，圆弧的长度L即是标签天线的长度，角度θ是等效圆心处标签弯曲的角度，故有0°≤θ≤360°，0°为等效半径R∝∞，即是不进行弯曲，360°即为标签天线刚好弯曲成为一个圆。一般来讲，标签弯曲时标签天线性能会受到一定的影响，本发明的标签天线在弯曲角度θ≤100°时性能变化较小，标签受影响较小，标签仍能正常工作。

图4是本实例天线端口的回波损耗S11结果，可以看出，标签天线在金属和非金属表面时天线回波损耗基本不受影响，标签天线具有较好的抗金属性能。在该图中，标签天线弯曲和共形的物体为弯曲半径为 100mm的金属和非金属圆柱体，弯曲角度θ≈60°，可以看出弯曲对标签天线的阻抗匹配有一定的影响，但是考虑到标签天线的跳频工作原理，该频偏对标签的读取影响很小。

图5-图7是本实例标签天线在920MHz的方向图。图5是标签天线位于非金属表面的方向图，图6是标签天线位于金属表面时的方向图，图7是标签天线共形到半径为100mm金属圆柱体表面时的方向图。当标签天线位于非金属表面时，天线正反面均有较大的辐射，当标签天线位于金属表面时，标签天线主要向上半平面辐射。总体来说，标签天线具有较好的方向性，由于标签天线波瓣宽度较宽，标签具有较大的读取范围。

本发明标签天线的增益与介质基板的损耗密切相关。由于标签芯片为小电阻大电容的原因，根据共轭匹配理论，标签天线阻抗需要设计成小电阻大电感。由于标签天线电阻很小，介质损耗对天线效率影响很大，故对标签天线的增益影响也很大。对于具体设计，考虑应用需求和成本要求的前提下，选用合适的介质基板来进行设计。本实例中，标签天线在非金属标签的增益为-3.6dBi，在金属表面的增益达到1.8dBi，标签天线具有较高的增益。

对于标签天线，其最大读取距离可用式(1)来进行计算。

其中，P_t为读写器天线发射功率；

G_t为读写器发射天线增益；

G_r为标签接收天线增益；

P_r为标签的接收功率(最低开启功率)；

P_th＝P_r*τ为标签芯片的读取灵敏度，τ为功率传输系数。

P为极化匹配因子，指标签天线极化与读写器天线极化匹配状况；

EIRP＝P_tG_t，EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 为有效全向辐射功率，如中国标准规定EIRP为33dBm(2W)。

可以看出，标签天线与标签芯片的阻抗匹配程度、标签天线的增益、标签工作波长以及标签芯片灵敏度都能够影响标签天线读取距离。签芯片灵敏度不受标签天线设计的影响，标签工作频率变化较小，工作波长变化对标签读取距离的影响基本可以忽略，故标签天线与标签芯片阻抗匹配程度、标签天线增益标签读取距离的影响较大。

表1标签天线最大读取距离测量

表1是本发明实例标签天线在不同工作状况不同频率范围内的最大读取距离测试结果，可以看出，标签天线在金属表面的最大读取距离超过3m，远高于在非金属表面的读取距离，标签天线的抗金属性能良好。当标签天线弯曲或共形到金属物体表面时，其最大读取距离和为弯曲时变化不大，标签天线具有较好的弯曲和共形性能。

图8是本发明实例标签天线的最大读取距离随频率变化，可以看出，标签天线理论和实际最大读取距离比较吻合，标签天线读取距离较远。

基于本发明，还设计出厚度为0.25mm的超薄柔性抗金属标签天线等实例，其仍具有较好的性能，通过实际测试，在金属表面的最大读取距离超过2m，满足绝大多数实际应用。本发明所设计的标签天线具有厚度薄、成本低等特点，并且具有较远的读取距离和较好的抗金属性能，标签天线在弯曲共形后也有较好的性能。

经过实践证明，本发明的柔性抗金属RFID标签天线能够工作在中国 UHF RFID工作频段920MHz-925MHz以及北美UHF RFID工作频段 902MHz-928MHz。

综上所述，仅为本发明的一个具体实例的说明和结果，该本发明的特征是基于该标签天线类型的发明，在本发明要求包含范围的权利和实例基础上，任何进行变化和调整设计出的标签天线均在本发明的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种柔性抗金属RFID标签天线，其特征在于：包括由PCB板材、合成纸材料或高分子聚合材料制成的介质基板（1），设置在介质基板（1）前表面的辐射贴片（2）以及设置在介质基板后表面的金属地板（3），所述辐射贴片（2）的面积小于介质基板的面积，所述金属地板（3）的面积与介质基板的面积相当，所述辐射贴片（2）上开设有矩形槽（4）以及位于矩形槽（4）外围的U型槽（5），所述辐射贴片的矩形槽（4）处连接有标签芯片（6）。

2.按照权利要求1所述的柔性抗金属RFID标签天线，其特征在于：所述介质基板（1）的介电常数为2.2，损耗正切0.001，所述介质基板（1）的尺寸为98*28*0.5mm³。

3.按照权利要求1所述的柔性抗金属RFID标签天线，其特征在于：所述辐射贴片（2）的尺寸为93*23mm²。